JP2017152981A - メタループアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】バランス周波数以上の帯域において複数の円偏波を放射可能とし、これにより１つのアンテナにより３以上の周波数帯域をカバーできるようにしてさらなる広帯域化を図る。
【解決手段】ＣＲＬＨ線路２０により正方形のループを構成し、ＣＲＬＨ線路２０の各ユニットにおいてインダクタンス素子２４，２４，…をループの外側方向にループに対し垂直に延伸形成して、その先端をスルーホール２５を介して接地パターンに接続することにより、インダクタンス素子２４，２４，…を左手系インダクタンスとして機能させると共に、ショートスタブとして動作させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、右手／左手系複合伝送線路を用いたメタループアンテナに関する。

携帯電話システムや無線ＬＡＮ（Local Area Network）、テレビジョン放送等では、アンテナとして例えばメタマテリアル材料を使用したアンテナの使用が検討されている。メタマテリアル材料を使用したアンテナは、例えば裏面全面に接地パターンを形成した誘電体基板の表面に、右手／左手系複合伝送線路（Composite Right/Left Handed：ＣＲＬＨ線路）により構成される放射素子をループ状に形成したものである。

ＣＲＬＨ線路は、線路に直列に設けられる右手系インダクタンスＬ_Ｒ および左手系キャパシタンスＣ_Ｌ と、線路に並列に設けられる左手系インダクタンスＬ_Ｌ および右手系キャパシタンスＣ_Ｒ とによって構成され、位相定数が周波数特性を持ち、位相定数が負になるときは左手系伝送線路として、正になるときは右手系伝送線路として動作する。

このようなＣＲＬＨ線路を使用してループアンテナを構成すると、アンテナの低姿勢化を比較的容易に実現できる。この場合、一般には左手系インダクタンスＬ_Ｌ としてチップインダクタンス素子を使用し、このチップインダクタンス素子をスルーホールを介して接地パターンに接続するように構成される（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１４−１６５８５３号公報

ところが、従来提案されているメタループアンテナは、バランス周波数未満の帯域では左手系伝送線路による左旋円偏波を、バランス周波数以上の帯域では右手系伝送線路による右旋円偏波をそれぞれ放射する、２バンド円偏波ループアンテナとして動作する。このため、使用可能な周波数帯域が２つの帯域に限られ、昨今のさらなる広帯域化の要求に十分に応えられなかった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、バランス周波数以上の帯域において複数の円偏波を放射可能とし、これにより１つのアンテナにより３以上の周波数帯域をカバーできるようにしてさらなる広帯域化を図ったメタループアンテナを提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、裏面に接地パターンを形成した誘電体基板と、少なくとも一方の端部に給電部が設けられた右手／左手系複合伝送線路からなり、前記誘電体基板の前記裏面と逆の面である表面にループ状に形成される放射素子とを具備する。そして、前記右手／左手系複合伝送線路を構成する複数のユニットの各々が、第１の導体部と、前記第１の導電部の両端部に所定の間隔を隔てて配置される２個の第２の導電部と、前記第１の導電部と前記２個の第２の導電部との間にそれぞれ装荷されて左手系キャパシタンスとして動作するキャパシタンス素子と、前記第１の導電部から前記放射素子のループの外側方向に延伸形成されて先端部がスルーホールを介して前記誘電体基板の裏面に形成された接地パターンに接続されることにより左手系インダクタンスおよびショートスタブとして動作するインダクタンス素子とを備えるようにしたものである。

この発明の第２の態様は、前記放射素子を構成する右手／左手系複合伝送線路が、複数のユニットを直列に接続して正方形のループを構成し、前記正方形のループを構成する４辺のうちの相対向する２辺に配置される複数のユニットのうち、辺の長手方向中央部に配置されるユニットが、ループの内側方向に延伸形成されて先端部がスルーホールを介して前記誘電体基板の裏面に形成された接地パターンに接続されるインダクタンス素子を備えるようにしたものである。

この発明の第３の態様は、前記インダクタンス素子が、前記右手／左手系複合伝送線路のバランス周波数ｆ_B に対応する波長をλ_B するとき、延伸方向の長さが０．０３５λ_B に設定され、かつ延伸方向と直交する方向の幅が０．０１λ_B に設定されるものである。

この発明の第１の態様によれば、ループ状に形成された右手／左手系複合伝送線路により、バランス周波数より低域の第１の周期数付近、およびバランス周波数より高域の第２の周波数付近において、それぞれ左旋円偏波および右旋円偏波が放射される。さらに、複数のユニットのインダクタンス素子が左手系インダクタンスとして動作すると共に、ショートスタブとしても動作する。このため、各ユニット上をその長手方向に流れる電流と、ショートスタブとして動作するインダクタンス素子上を流れる電流との位相差が９０°になり、その結果上記第２の周波数より高域の第３の周波数付近において左旋円偏波を放射することが可能となる。

この発明の第２の態様によれば、ショートスタブとして動作する各インダクタンス素子のうち、正方形のループの相対向する２辺の中央部に配置された１組のインダクタンス素子がループの内側方向に延伸配置されたことにより、第１および第３の周波数付近において放射される左旋円偏波と第２の周波数付近において放射される右旋円偏波との利得差を縮小することができる。また、第３の周波数付近における放射パターンにおいて、高域の直交偏波を増加させることが可能となる。

すなわちこの発明によれば、バランス周波数以上の帯域において複数の円偏波を放射可能とし、これにより１つのアンテナにより３以上の周波数帯域をカバーできるようにしてさらなる広帯域化を図ったメタループアンテナを提供することができる。

この発明の第１の実施形態に係るメタループアンテナの構成を示す斜視図。 図１に示したメタループアンテナの一部を拡大して示した図。 図１に示したメタループアンテナの各部の寸法を示す図。 図２に示したメタループアンテナの１単位であるユニットの寸法を示す図。 図１に示したメタループアンテナによる利得の周波数特性を示す図。 図１に示したメタループアンテナによる軸比の周波数特性を示す図。 図１に示したメタループアンテナのＶＳＷＲ特性を示す図。 図１に示したメタループアンテナの２．５GHzにおける放射特性を示す図。 図１に示したメタループアンテナの３．５GHzにおける放射特性を示す図。 図１に示したメタループアンテナの４．５GHzにおける放射特性を示す図。 この発明の第２の実施形態に係るメタループアンテナの構成を示す斜視図。 図１１に示したメタループアンテナによる利得の周波数特性を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
（構成）
図１はこの発明の第１の実施形態に係るメタループアンテナの構成を示す斜視図、図２は図１に示したメタループアンテナの一部を拡大して示した図である。
図１において、１０は誘電体基板であり、この誘電体基板１０は例えば正方形に形成された印刷配線基板により構成される。この誘電体基板１０の裏面全面には接地パターン（図示せず）が形成されている。一方、誘電体基板１０の表面には、放射素子２０を構成するパターンが例えばマイクロストリップラインを用いて形成される。

放射素子２０は、右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ線路）により構成される。放射素子２０は、ＣＲＬＨ線路の１単位であるユニットを複数直列に接続して、正方形をなすループ状に構成したものである。なお、以後ＣＲＬＨ線路にも放射素子と同一の符号２０を付して説明を行う。

具体的には、上記ループを構成する４つの辺のうちの３辺はいずれも５個のユニットを直列に接続することにより構成され、残りの１つの辺はＣＲＬＨ線路の各端部と最寄りの角部（接続部２９）との間に、それぞれ２個のユニットを接続することにより構成される。

上記複数のユニットの各々は、図２に示すように１個の導電部２２と、その両端に所定の間隔を隔てて配置される導電部２１と、導電部２２と導電部２１との間にそれぞれ装荷されるチップタイプのキャパシタンス素子２３と、上記導電部２２に接続されるインダクタンス素子２４とから構成される。

なお、１つのユニットは、長さＰで示される区間であり、正確には、導電部２２の両側にある１／２個分の導電部２１を合わせたものが、１ユニット当たりの導電部２１に相当する。正方形ループの角部では、隣合うユニットの導電部２１を一部重ね合わせた接続部２９を設けることで、隣合うユニットを直角に接続する。

キャパシタンス素子２３は、左手系キャパシタンスとしての機能を有するもので、例えば１．２pFに設定される。

一方、インダクタンス素子２４は、図２に示すように正方形ループの外側方向にループの辺に対し直交する状態で延伸形成され、一端が上記導電部２２に、他端が接地用端子２６にそれぞれ接続される。接地用端子２６は、誘電体基板１０の裏面に形成された接地パターンに対し、スルーホール２５を介して接続される。すなわち、インダクタンス素子２４は、左手系インダクタンスとしての機能を有すると共に、比較的高い周波数においてショートスタブとして動作するように構成される。

また、ＣＲＬＨ線路２０の一端部には給電点として機能する給電用導電部２７が設けられている。この給電用導電部２７は、給電線路を介して図示しない無線回路に接続される。さらに、ＣＲＬＨ線路２０の他端部には終端部として機能する終端用導電部２８が設けられている。この終端用導電部２８には図示しない終端抵抗が接続される。終端抵抗はＣＲＬＨ線路２０の終端を整合終端するもので、入射インピーダンスおよび放射インピーダンスの広帯域特性の劣化を防ぐ機能を持ち、給電インピーダンスと同じ値、例えばＺ_B ＝６０Ωに設定される。

ところで、本実施形態を実現するために、上記誘電体基板１０およびユニットのサイズは以下のように設定される。図３および図４にその具体的な数値を示す。
すなわち、いまバランス周波数ｆ_B を３．０GHzに設定しその自由空間波長をλ_B するとき、図３に示すように、縦（Ｘ方向）GPxおよび横方向（Ｙ方向）GPyはいずれも１．１λ_B ＝１１０mmに設定され、厚さＢは０．０３２λ_B ＝３．２mmに設定される。また、ＣＲＬＨ線路２０のサイズは、一辺の長さＬsideが０．５λ_B ＝５０mmに設定され、また給電点および終端点を有する辺については、給電点と最寄りの角部との間および終端点と最寄りの角部との間がいずれも０．２λ_B ＝２０mmに設定される。

なお、バランス周波数とは、ＣＲＬＨ線路２０がバランス条件（左手系キャパシタンス（Ｃzに相当する）と右手系インダクタンスとによる直列回路の共振周波数と、右手系キャパシタンスと左手系インダクタンスとによる並列回路の共振周波数とが一致する条件）における共振周波数であり、その前後に左手系および右手系の各伝送域（本例ではアンテナとしての動作帯域）が現れることが知られている。ＣＲＬＨ線路２０中では、進行波の群速度は周波数によって変化する。

ＣＲＬＨ線路２０の各ユニットのサイズは、図４に示すように、１ユニットの長さＰが０．１λ_B ＝１０mm、導電部２１，２２の幅Ｗが０．０６６λ_B ＝６．６mmにそれぞれ設定され、また導電部２１，２２間の間隔ｋが０．００５λ_B ＝０．５mmに設定される。

一方、インダクタンス素子２４のサイズは、長さＬstb が０．０３５λ_B ＝３．５mm、幅Ｌwが０．０１λ_B ＝１．０mmにそれぞれ設定される。さらに接地用端子２６のサイズは、縦および横ともにＬsq＝０．０１５λ_B ＝１．５mmに、またスルーホール２６の直径ｄviaは０．０１λ_B ＝１．０mmに設定される。なお、上記誘電体基板１０には誘電率εr ＝２．６のものが用いられ、またキャパシタンス素子２３の容量２Ｃz は１．２pFに設定される。

（動作）
このように構成されたメタループアンテナは、以下のように動作する。
すなわち、本実施形態におけるメタループアンテナでは、バランス周波数ｆ_B が３．０GHz となるようにＣＲＬＨ線路２０の各ユニットのサイズおよび集中定数が設定され、かつループの一辺の長さＬsideが０．５λ_B ＝５０mmに設定されている。この結果、上記バランス周波数ｆ_B ＝３．０GHz より低周波側の２．５GHz （第１の目的周波数）付近において、ＣＲＬＨ線路２０の左手系伝送線路の動作により左旋円偏波が放射され、また上記バランス周波数ｆ_B ＝３．０GHz より高周波側の３．５GHz （第２の目的周波数）付近において、ＣＲＬＨ線路２０の右手系伝送線路の動作により右旋円偏波が放射される。

さらに、本実施形態におけるメタループアンテナでは、インダクタンス素子２４，２４，…がいずれもループの外側方向にループに対し垂直に延伸形成され、その先端がスルーホール２５を介して接地パターンに接続されている。このため、インダクタンス素子２４，２４，…は左手系インダクタンスとして機能すると共に、ショートスタブとして動作する。またその際、インダクタンス素子２４，２４，…の延伸方向の長さＬstb および幅Ｌw を、第３の周波数である４．５GHz において最適化することで、各ショートスタブは逆Ｌ形アンテナとして動作し、ショートスタブ方向の偏波で放射する。これは、ＣＲＬＨ線路２０のユニット上をその長手方向に流れる電流と、ショートスタブとして動作するインダクタンス素子２４上を流れる電流との位相差が９０°に近くなり、その結果ユニットごとに左旋円偏波が励振されていると解釈することもできる。

ここで、前者の逆Ｌアンテナとしての動作を想定する。このとき直線状に並んでいる各辺において一辺が３／４波長になっていると、向かい合う辺において生じる電界の方向が揃い、隣り合う辺同士は略２７０°の位相差をつけて強め合うので、全体として左旋円偏波の放射が生じることになる。

ショートスタブの寸法は、第１の周波数における励振動作を満たすよう長さと幅に相関があるものの、この範疇において第３の周波数にも適合する長さを選ぶ。すなわち、ＣＲＬＨ線路２０の幅とショートスタブ長とスルーホールの長さの和が、第３の周波数に対応する波長の１／４波長程度となることが望ましい。本実施形態では第３の周波数において略０．２９９８波長である。

なお、ＣＲＬＨ線路２０の各ユニットにおける、ショートスタブ方向の電界は主に線路を挟んでショートスタブとは反対側に現れるが、ＣＲＬＨ線路２０を誘電体基板１０上において途中で９０°方向に曲げることで、この角においてはショートスタブ側の電界を強め、線路のなす角の中央にあたる方向である。この電界の位相差は、隣り合う線路においてショートスタブにより発生する電界に対して略１３５°差であり、正方形ループを構成する対角では強め合い、隣り合う角同士では略２７０°の位相差をつけて強め合う。つまり、４つの角のそれぞれに第３の周波数の円偏波パッチアンテナが配置されているような容態で放射されていると考えられる。

これらを整理すると、第３の周波数において励振動作する主な条件は、下記の３点となる。
・略正方形のループアンテナを構成しており、一辺が第３の周波数において３／４波長となること。
・ショートスタブが第３の周波数において略逆Ｌ形アンテナの構造となること。
・ループアンテナの角は略９０°で曲げられていること。

図５は上記メタループアンテナによる利得の周波数特性を示したもので、左旋円偏波を実線により、また右旋円偏波を破線で示している。同図に示すように、２．５GHz 付近および３．５GHz 付近においてそれぞれ左旋円偏波および右旋円偏波による十分な利得が得られ、さらに４．５GHz 付近において左旋円偏波による利得が得られることが分かる。

図６は上記メタループアンテナの軸比の周波数特性を示したもので、２．５GHz 付近および３．５GHz 付近に加え、４．５GHz 付近においても、軸比が３［dBi］より小さい良好な円偏波が放射されていることが分かる。なお、軸比とは円偏波にどれだけ近いかを表すパラメータであり、完全な円となったとき軸比は０［dBi］になる。

図７は、上記メタループアンテナによる電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio：ＶＳＷＲ）特性を示したものである。同図から明らかなように、目的とする周波数帯である２．５GHz（第１の周波数）付近、３．５GHz（第２の周波数）付近および４．５GHz（第３の周波数）付近において、いずれもＶＳＷＲ＝２以下となる良好なＶＳＷＲ特性が得られることが分かる。

図８、図９および図１０はそれぞれ２．５GHz 、３．５GHz および４．５GHz において放射される円偏波の水平方向の放射パターンを示したもので、右旋円偏波を実線で、左旋円偏波を破線でそれぞれ示している。同図に示すように２．５GHz 、３．５GHz および４．５GHz のいずれにおいても、良好な水平指向性が得られることが分かる。

（効果）
以上詳述したように第１の実施形態では、ＣＲＬＨ線路２０により正方形のループを構成し、ＣＲＬＨ線路２０の各ユニットにおいてインダクタンス素子２４，２４，…をループの外側方向にループに対し垂直に延伸形成して、その先端をスルーホール２５を介して接地パターンに接続することにより、インダクタンス素子２４，２４，…を左手系インダクタンスとして機能させると共に、ショートスタブとして動作させるようにしている。

従って、バランス周波数ｆ_B ＝３．０GHz より低周波側の２．５GHz （第１の周波数）付近と、上記バランス周波数ｆ_B ＝３．０GHz より高周波側の３．５GHz （第２の周波数）付近において、それぞれ左旋円偏波および右旋円偏波を放射すると共に、上記第２の目的周波数である３．５GHz よりさらに高周波側の４．５GHz 付近においても左旋円偏波を放射することができる。すなわち、１個のアンテナで３周波に対応するメタループアンテナを提供することができる。

［第２の実施形態］
図１１は、この発明の第２の実施形態に係るメタループアンテナの構成を示す斜視図である。なお、同図において前記図１と同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

この発明の第２の実施形態に係るメタループアンテナは、正方形からなるループ状に形成されたＣＲＬＨ線路２０′の相対向する２つの辺において、辺の長手方向の中央部分に配置されたインダクタンス素子２４′，２４′を、ループの内側方向にループに対し垂直に延伸形成している。インダクタンス素子２４′，２４′の先端部はそれぞれ接地用端子２６，２６に接続され、さらにスルーホール２５を介して、誘電体基板１０の裏面に形成された接地パターンに接続される。

図１２に、第１の実施形態と同様にバランス周波数ｆ_B を３．０GHz としたときの、第２の実施形態におけるメタループアンテナの利得の周波数特性を示す。図１２に示すように、利得の最大値は、第１の目的周波数において約５．６dBi 、第２の目的周波数において約４．７dBi 、第３の目的周波数において約４．１dBi となっている。

すなわち、ショートスタブとして動作する各インダクタンス素子２４，２４，…のうち、相対向する２辺の中央部に配置された１組のインダクタンス素子２４′，２４′をループの内側方向に延伸配置したことにより、第１、第２および第３の各目的周波数付近における最大・最小利得差を約１．５dB とすることができ、これにより第１の実施形態におけるメタループアンテナの利得特性（図５）に比べ、左旋円偏波と右旋円偏波との利得差を小さくすることができる。また、インダクタンス素子２４′，２４′をループの内側方向に延伸配置したことにより、第３の目的周波数付近における放射パターンにおいて、高域の直交偏波を増加させることができる。

［その他の実施形態］
前記第１および第２の実施形態では、ＣＲＬＨ線路により正方形のループを構成する場合を例にとって説明したが、それに限らず長方形や円形のループを構成するようにしてもよい。

その他、誘電体基板およびＣＲＬＨ線路の各部のサイズと電気的特性値、３つの目的周波数の値等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

要するにこの発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１０…誘電体基板、２０，２０′…放射素子（ＣＲＬＨ線路）、２１，２２…導電部、２３…キャパシタンス素子、２４，２４′…インダクタンス素子、２５…スルーホール、２６…接地用端子、２７…給電用導電部、２８…終端用導電部、２９…接続部。

Claims (3)

1. 裏面に接地パターンを形成した誘電体基板と、
   少なくとも一方の端部に給電部が設けられた右手／左手系複合伝送線路からなり、前記誘電体基板の前記裏面と逆の面である表面にループ状に形成される放射素子と
   を具備し、
   前記右手／左手系複合伝送線路を構成する複数のユニットの各々は、
   第１の導体部と、
   前記第１の導電部の両端部に所定の間隔を隔てて配置される２個の第２の導電部と、
   前記第１の導電部と前記２個の第２の導電部との間にそれぞれ装荷され、左手系キャパシタンスとして動作するキャパシタンス素子と、
   前記第１の導電部から前記放射素子のループの外側方向に延伸形成されて、先端部がスルーホールを介して前記誘電体基板の裏面に形成された前記接地パターンに接続され、左手系インダクタンスおよびショートスタブとして動作するインダクタンス素子と
   を備えることを特徴とするメタループアンテナ。
2. 前記放射素子を構成する右手／左手系複合伝送線路は、複数のユニットを直列に接続して正方形のループを構成し、
   前記正方形のループを構成する４辺のうちの相対向する２辺に配置される複数のユニットのうち、辺の長手方向中央部に配置されるユニットは、ループの内側方向に延伸形成されて、先端部がスルーホールを介して前記誘電体基板の裏面に形成された前記接地パターンに接続されるインダクタンス素子を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のメタループアンテナ。
3. 前記インダクタンス素子は、前記右手／左手系複合伝送線路のバランス周波数ｆ_B に対応する波長をλ_B するとき、延伸方向の長さが０．０３５λ_B に設定され、かつ延伸方向と直交する方向の幅が０．０１λ_B に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のメタループアンテナ。